CZ.1.07/2.2.00/ Obecný metabolismus. Energetický metabolismus (obecně) (1).

Transkript

1 mezioborová integrace výuky zaměřená na rostlinnou biochemii a fytopatologii CZ.1.07/2.2.00/ becný metabolismus Energetický metabolismus (obecně) (1). Prof. RNDr. Pavel Peč, CSc. Katedra biochemie, Přírodovědecká fakulta UP

2 . Funkce a struktura adenosintrifosfátu (ATP) a jeho derivátů. Adenosintrifosfát (ATP) byl objeven v roce 1929 Karlem LHMANEM, ale správná struktura byla určena až několik let později. Jako hlavního nositele energie v buňce postuloval ATP Fritz Albert LIPMANN (1941), který je také autorem pojmu energií bohatá fosfátová vazba ( makroergická ). Dostal Nobelovu cena za fyziologii a medicinu 1953, ale spolu H. Krebsem za citrátový cyklus a strukturu a funkci koenzymu A. Syntéza byla provedena v roce 1948 Alexandrem TDDEM. IUPAC název: [(2''R'',3''S'',4''R'',5''R'')-5-(6-aminopurin-9-yl)-3,4- dihydroxyoxolan-2-yl]methyl (hydroxyphosphonooxyphosphoryl) hydrogenphosphate

3 Strukturní vzorce energeticky významných adeninových nukleotidů (adenosinových fosfátů). NH 2 - P - P - P - N ADENSINTRIFSFÁT, ATP H H NH 2 - P - P - N ADENSINDIFSFÁT, ADP H H NH 2 - P - ADENSINMNFSFÁT, AMP H N H

4 Vysoký fosforylační potenciál ATP Důvody: A) Rezonanční stabilizace. ADP a P i mají vyšší rezonanční potenciál než ATP. rthofosfát má velký počet rezonačních forem, kdežto g fosfátová skupina ATP podstatně méně. B) Elektrostatické odpuzování. Při ph 7 nese trifosfátová část ATP čtyři záporné náboje. Ty se vzájemně odpuzují. dpuzování se sníží po hydrolýze ATP. C) Stabilizace hydratací. Daleko více molekul vody se váže na ADP a P i než na dvě fosfoanhydridové vazby ATP.

5 Řada možných rezonančních forem anorganického orthofosfátu. Dole: Mezomerní struktura se dvěma kladnými náboji vedle sebe na terminální části ATP je silně nestabilní H P - H P - H P H + P R P + P

6 Strukturní základy vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP ATP + voda = ADP + fosfát + H + D G o = - 30, 5 kj.mol -1 ATP + H 2 = AMP + PP i D G o = - 45, 6 kj.mol -1 Rozdíly: rezonanční stabilita; elektrostatické odpuzování; stabilizace produktů hydratací. Vazebná konstanta ATP s různými kovovými ionty (na mol): Mg 2+ (9 554), Mn 2+ (4 532), Na + (13), Ca 2+ (3 722), K + (8), Sr 2+ (1 381) a Li + (25). Vzhledem k síle těchto interakcí, existuje ATP v buňkách převážně v komplexu s Mg 2+ nebo Mn 2+. Dva Mg 2+ na jednu molekulu ATP (čtyři záporné náboje).

7 Strukturní základy vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP Přesná hodnota D G při těchto reakcích závisí na iontové síle prostředí a koncentraci Mg 2+ a dalších kovových iontů. Za typických buněčných koncentrací je aktuální DG těchto hydrolýz přibližně 50 kj.mol -1. Volná energie hydrolýzy ATP urychluje reakce spotřebovávající energii jako např. svalová kontrakce. ATP se tvoří z ADP a P i při oxidaci energeticky bohatých molekul chemotrofů nebo při osvětlení fototrofů. Energetický cyklus ATP-ADP je základem energetických výměn biologických systémů.

8 Další analogické nukleosidtrifosfáty: Guanosintrifosfát (GTP), uridintrifosfát(utp), cytidintrifosfát (CTP) GTP UTP CTP

9 Reversibilní přenos fosfátů Některé biosyntetické reakce jsou poháněny hydrolýzou nukleosidtrifosfátů analogických ATP. Např. guanosintrifosfát (GTP), uridintrifosfát (UTP) a cytidintrifosfát (CTP). Difosfátové formy se označují GDP, UDP a CDP a monofosfátové formy GMP, UMP a CMP. Přenos terminální fosfátové skupiny z jednoho nukleotidu na druhý je katalyzován enzymy (reversibilní reakce). Fosforylace nukleosidmonofosfátů je katalyzována nukleosidfosfátkinasami (EC ) a fosforylace nukleosiddifosfátů nukleosiddifosfátkinasami (EC ). Enzymy mají širokou substrátovou specificitu.

10 Reversibilní přenos fosfátů Nukleosidmonofosfát NMP + ATP NDP + ADP E: nukleosidmonofosfátkinasa. Nukleosiddifosfát NDP + ATP NTP + ADP E: nukleosiddifosfátkinasa. Je evidentní, že všechny nukleosidtrifosfáty jsou energeticky ekvivalentní. ATP je primární nadřazený buněčný nosič energie. Dva důležité přenašeče elektronů (koenzymy oxidoreduktas) NAD + (nikotinamidadenindinukleotid) a FAD (flavinadenindinukleotid) jsou deriváty ATP.

11 Gibbsova energie (výpočet pro ATP) Vnitrobuněčná koncentrace ATP se udržuje v rozmezí 2 10 mm.l -1. Koncentrace ADP a P i jsou variabilní. Při typické koncentraci: [ATP] = 3, 0 mm, [ADP] = 0, 8 mm, [ P i ] = 4, 0 mm Poté je volná energie (Gibbsova) hydrolýzy ATP při 37 o C: DG = D G o + RT ln [ADP].[ P i ]/[ATP] = - 30, 5 kj.mol -1 + (8, 3145 J. K -1.mol -1 )(310 K) ln[( 0, 8 x 10-3 M).(4, 0 x 10-3 M) / 3, 0 x 10-3 M)] = (-30, 5 kj.mol - 17, 6 kj.mol) = - 48, 1 kj.mol -1

12 Energetický náboj buňky (EN) EN (angl. energy charge), veličina, vyjadřující stav energetických rezerv buňky: EN = ([ATP] + ½ [ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]). Faktor ½ pro koncentraci ADP ukazuje, že jeho štěpení na AMP poskytuje polovinu energie odpovídající štěpení ATP. Energetický náboj může teoreticky dosáhnout hodnoty 0 (adenosinfosfáty jsou přítomny pouze jako AMP) až 1 (jsou přítomny pouze jako ATP). Energetický náboj většiny buněk je v rozmezí 0,8 až 0,95. Nižší hodnoty jsou signálem k zisku (tvorbě) energie!

13 Rychlost tvorby a spotřeby ATP v závislosti energetickém náboji buňky Dráha tvorby ATP Relativní rychlost Dráha spotřeby ATP, 25, 5, 75 1, Energetický náboj

14 Hydrolýza ATP posunuje rovnováhu spřažených reakcí Termodynamicky nevýhodná metabolická dráha (pozitivní DG) může být ve spojení s ATP (fosforylace substrátů) převedena na reakci s negativním DG. Substráty jsou převedeny na produkty. Příklad: Uvažujme převod sloučeniny A na B, kde Gibbsova volná energie má hodnotu + 16, 7 kj.mol -1. Rovnovážná konstanta K eq reakce při 25 o C je dle DG o : K eq = [B] eq / [A] eq = 10 -DGo / 5,69 = 1,15 x Z výsledku plyne, že převedení A na B nemůže proběhnout za situace, kdy je molární poměr B/A roven nebo větší než 1,15 x Reakce může proběhnout ve spojení s hydrolýzou ATP!! Za standardních podmínek je DG o hydrolýzy 30, 5 kj.mol -1.

15 Hydrolýza ATP posunuje rovnováhu spřažených reakcí Celková reakce (součet obou reakcí): A + ATP + H 2 B + ADP + P i ; DG o = - 13, kj.mol -1. Rovnovážná konstanta těchto spřažených reakcí při ph 7 je: K eq = [B] eq / [A] eq x [ADP] eq. [ P i ] eq / [ATP] eq = 10 13,8 / 5, 69 = 2, 67 x V rovnováze: [B] eq / [A] eq = K eq. [ATP] eq / [ADP] eq. [ P i ] eq To znamená, že hydrolýza ATP umožňuje převést A na B, když poměr [B] / [A] dosáhne hodnoty 2, 67 x Tato rovnováha je odlišná od rovnováhy 1, 15 x 10-3, reakce převedení A na B bez hydrolýzy ATP. Prakticky to znamená, že spojením této reakce s hydrolýzou ATP za standardních podmínek se změnila rovnováha faktorem 10 5!! Za podmínek v buňce, kde je DG hydrolýzy ATP 50,2 kj.mol -1, se mění rovnovážný poměr faktorem 10 8!!!

16 Hydrolýza ATP posunuje rovnováhu spřažených reakcí Hydrolýza n ATP molekul mění rovnovážný poměr spřažené reakce faktorem 10 8n. Např. hydrolýza tří molekul ATP ve spojení se spřaženou reakcí mění rovnovážný poměr faktorem Termodynamicky nevýhodné reakční sekvence mohou být proměněny na výhodné ve spojení s hydrolýzou ATP.

17 Další sloučeniny s vysokým potenciálem přenosu fosfátu. Řada sloučenin v biologických systémech má vyšší potenciál přenosu fosfátu než ATP. Fosfoenolpyruvát (PEP), 1,3-bisfosfoglycerát (1,3-BPG) a kreatinfosfát (fosfagen). Tak např. z PEP lze přenést fosfát na ADP za tvorby ATP (fosforylace na úrovni substrátu jako součást glykolýzy). Analogicky přenos fosfátu z 1,3-bisfosfoglycerátu na ADP za tvorby ATP a 3-fosfoglycerátu. Kreatinfosfát je zásobárnou fosfátů hlavně ve svalech. Přenáší fosfát na ADP za tvorby ATP a kreatinu.

18 Další sloučeniny s vysokým potenciálem přenosu fosfátu P - - CH 2 Fosfoenolpyruvát NH C CH 2 N CH 3 NH P - - Kreatinfosfát 2- - P CH 2 - H H 2- P - - 1, 3 - bisfosfoglycerát

19 Standardní volné energie hydrolýzy některých fosforylovaných sloučenin. Fosfoenolpyruvát - 61,9 kj.mol -1 1,3-Bisfosfoglycerát - 49,4 kj.mol -1 Kreatinfosfát - 43,1 kj.mol -1 ATP na ADP - 30, 5 kj.mol -1 Glukosa-1-fosfát - 20, 9 kj.mol -1 Difosfát (pyrofosfát) - 19, 3 kj.mol -1 Glukosa-6-fosfát - 13, 8 kj.mol -1 Glycerol-3-fosfát - 9, 2 kj.mol -1

20 ATP a kreatinfosfát. Množství ATP ve svalech umožňuje svalový pohyb během sekundy. ATP se musí neustále vytvářet (odhadované denní množství vytvořeného a využitého ATP u dospělého člověka je cca 40 kg!!). Kreatinfosfát ve svalech obratlovců je zásobárnou fosfátových skupin s vysokým potenciálem přenosu fosfátu na ADP za tvorby ATP (regenerace ATP). Reakce je katalyzována kreatinkinasou: Kreatinfosfát + ADP ATP + kreatin Při ph 7 je Gibbsova energie hydrolýzy kreatinfosfátu - 43, 1 kj.mol -1. Z toho plyne, že změna standardní Gibbsovy energie tvorby ATP z kreatinfosfátu je 12, 6 kj.mol -1, což odpovídá rovnovážné konstantě 162.

21 ATP a kreatinfosfát. Typická koncentrace těchto metabolitů v odpočívajícím svalu: [ATP] = 4 mm, [ADP] = 0, 013 mm, [kreatinfosfát] = 25 mm [kreatin] = 13 mm.

22 Zdroje ATP během tělesného pohybu ATP Kreatinfosfát AERBNÍ METABLISMUS ENERGIE ANAERBNÍ METABLISMUS Sekundy Minuty Hodiny

23 Cyklus ATP-ADP. Pohyb Aktivní transport Biosyntézy Zesílení signálu ATP ADP xidace energeticky bohatých substrátů nebo fotosyntéza

24 Jakým postupem sloučeniny s vysokým potenciálem přenosu fosfátu spojují oxidaci uhlíku s tvorbou ATP? Tvorba ATP je jednou z primárních funkcí katabolismu. Uhlík sacharidů a tuků je oxidován na C 2. Vzniklé elektrony jsou zachyceny a využity k regeneraci ATP z ADP a P i. U aerobních organismů je koncovým akceptorem elektronů kyslík a oxidačním produktem oxid uhličitý. Příklad: D-Glyceraldehyd-3-fosfát. Meziprodukt glykolýzy. C-1 Uhlíkový atom je v oxidačním stavu aldehydu. xidací aldehydu na karboxylovou kyselinu se uvolní energie. V prvním stupni se tvoří acylfosfát, 1,3-bisfosfoglycerát, a uvolněné elektrony se váží na NAD +. 1,3-Bisfosfoglycedrát má vysoký potenciál přenosu fosfátu. Štěpení 1,3-BPG může být spojeno s tvorbou ATP (tvorba energie na úrovni substrátu). Energie oxidace je v prvním stupni zachycena jako sloučenina s vysokým potenciálem přenosu fosfátu a poté využita k tvorbě ATP.

25 Schéma glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasové oxidace. H H C H CH 2 - P NAD + + H 2 oxidace H H C H CH 2 - P NADH + H + H Tvorba acylfosfátu P 3 - C (dehydratace) C H H + Pi H H + H 2 CH 2 - P 3 - CH 2 - P 3-1, 3 -bisfosfoglycerát

26 Tvorba energie (ATP) na úrovni substrátu. P 3 - C H H CH 2 - P ADP Fosfoglycerátkinasa - C + ATP H H CH 2 - P 3 -

27 Protonové gradienty. xidaci energií bohatých sloučenin dochází k tvorbě protonových gradientů přes membránu působením specifických protonových pump. Protonové gradienty pohání syntézu ATP tím, že prochází enzymem ATPsynthasou (oxidativní fosforylace). H + H + xidace substrátů pumpuje protony ven NADH ADP + Pi ATP + H 2 Vstup protonů vede k tvorbě ATP H + H +

28 Srovnání obsahu volné energie sloučenin becně platí, že čím více je sloučenina redukovaná tím více Gibbsovy (volné) energie obsahuje. Pro srovnání glukosa a mastná kyselina. Mastná kyselina je silně redukovaná výhodně skladovaná energie v tucích. - C CH 2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH3 MASTNÁ KYSELINA Kyselina palmitová H H H H H H H H H H GLUKSA

29 Respirační kvocient (RQ), spalné teplo, energ. ekvivalent RQ = C 2 / 2 (mol) Glukosa C H 2 ; RQ = 1 Palmitát C H 2 ; RQ = 0,7 Energetický ekvivalent energie uvolněná na 1 L kyslíku 1. xidace glukosy poskytuje kj/mol : 6. 22,4 = 21, 3 kj/1 L 2 2. xidace kys. palmitové kj/mol : 23 : 22,4 = 19, 0 kj/ 1 L 2 Respirační kvocient, spalné teplo, energetický ekvivalent: Proteiny RQ = 0,8; kj/g = 17, 2; 2 (ml/g) = 917; kj/1 L 2 = 18,75 Lipidy 0,7 38, ,6 Sacharidy 1, 0 17, ,1